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1、2003年第4期广东造船23磁阻传感器电子罗盘及其在船舶导航中的应用肖文平叶家伟(华南理工大学交通学院)摘要本文介绍了应用磁阻传感器的电子罗盘的电路设计和数据采集、航位推算导航的动态模型,将电子罗盘数据、船的速度信息和GPS数据进行信息融合以提高导航的精度。最后探讨了低价位的电子罗盘与GPS组合导航技术在中小型船舶导航中的应用。关键词船舶导航磁阻传感器罗盘一前言目前,船舶导航主要采用GPS定位技术,GPS定位方式能够迅速、准确、全天候地提供导航、定位信息。虽然美国政府宣布从2000年5月1日午夜开始不再人为故意降低GPS公用信号的精度(即使用SA技术),可以使GPS定位比以前有高得多的
2、精度,同时我们还要考虑美国恢复这一技术的风险。GPS定位存在误差,主要误差源有:卫星时钟误差、星历误差、电离层的附加延时误差、对流层的附加延时误差、多路径误差等。GPS天线受其他物体的遮挡、外界强信号源的干扰都会引起GPS的定位信息的中断,使定位精度大大降低。船位推算(DeadReckoning)导航法是最基本的导航方法之一,这种方法的基本原理是利用航行的方向和距离传感器来推算瞬时位置。将GPS导航定位系统与电子罗盘、速度信号组成的航位推算系统结合起来,可以很好地解决船舶航行短时间内丢失GPS卫星定位信号的问题。电子罗盘是航位推算法的关键元器件之一,采用基于磁原理磁场传感器来测量相对地
3、球磁北极航向角,误差不随时间积累,且体积小、可靠性高、响应速度快。相比传统机械罗盘具有响应速度快、数据容易采集等特点。鉴于大中型船舶导航技术较完善,本文探讨的低成本的电子罗盘与GPS组合数字导航技术以导航技术较差的中小型船舶作为对象,以期在中小型船舶替代传统技术并扩大导航技术应用范围(如水上智能交通技术)。二电子罗盘电路1HMC1022简介HMC1022是Honeywell公司生产的智能弱磁传感器,是基于磁阻传感器的原理(参见图1),由长而薄的的镀膜合金(一种铁镍合金)薄膜制成磁阻敏感元件,采用标准的半导体工艺,将薄膜附着在硅片上,4个磁阻组成惠斯通电桥。同时在硅平面上制作了两个电流带
4、,一个用来置位或复位输出的极性,另一个用来产生偏置磁场以补偿环境磁场。HM102224广东造船2003年第4期是二维敏感方式,其中二维是封装在一起且相互垂直的双磁场传感器。根据工作原理,其输出信号用放大器进行放大,同时要对磁传感器进行一系列的操作,比如置位复位,磁耦合带可以在桥路上试加一个偏置磁场,这可以消除不需要的外界磁场,同时提供反馈信号电流,在电流带上形成闭环零磁场测量电路。置位复位还可以消除因温度漂移而图1磁阻传感器原理图造成的影响。芯片为16引脚小型DlP封装,HMC1022的供电电压范围可在5V到12V之间,最低可检测30u高斯的磁场,是一款高可靠性、高灵敏度的磁阻芯片。2
5、A/D转换及MAXl44的应用模数转换电路是以单片机为核心的数据采集系统的关键环节,这里采用MAX公司12bit串行输出的A/D器件MAX144。它具有两个输入通道,通道CH1用于转换X轴方向的磁场强度信号;另一通道CH2用来转换Y方向的磁场强度信号。MAAX144是8脚u2MAAX封装,非常适合于微小型手持仪器。MAX144的引脚5是基准电压引入端,用5V作为外接基准源,模拟输入信号1mV对应于数字输出1个字,相当于角度0.1度的分辨率。MAX144的串行输出是SPI/QSP兼容接口,分别接单片机的三条I/O口线,其读入数据转换结果的子程序框图如图2所示。转换结果的第13位用来判别读
6、入的是哪个CH通道。单片机编程时注图2A/D转换程序流程图意严格按照流程时序。3HMC1022与89C52的接口89C52是一种带2K字节闪速可编程、可擦除只读存储器的低功耗、高性能CMOS8位单片机,因其性能优异、价格低廉而被广泛应用。图3为HMC1022与89C52的接口电路,除了磁阻电桥电路以外,传感器内有两个电流带,用来置位或复位输出的极性,另一个用来产生一个偏置磁场以补偿环境磁场。因器件本身不需聚磁器,所以不会导致迟滞和非重复性。由89C52输出置位和复位脉冲,在置位脉冲下,设测得的的电压为Vs,在复位图3HMC1022与89C52接口电路脉冲下设测得的电压为Vr,则实际的信
7、2003年第4期广东造船25号产生的电压为V=(Vs-Vr)/2。磁阻传感器在安装时将X轴指向航行的前方,Y轴指向右方。磁阻传感器感应地磁场的变化输出X轴和Y轴的磁场强度,输出形式为电压输出,输出信号经放大器放大后送A/D转换电路进行模数转换,转换后的信号送CPU来进行角度计算。设船体(即X、Y平面)处于水平面上,要确定车船纵轴相对于磁北的航向角α。由磁阻传感器可以直接得出地磁场的水平分量Hx、Hy,因此相对于磁北的航向角Hyβ=arctan(
